鄒 桐，李雅婷

（中交第三航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司，上海 200032）

引 言

纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（Fiber Reinforced Polymer，簡(jiǎn)稱“FRP”），是由連續(xù)纖維和基體樹(shù)脂經(jīng)過(guò)特殊工藝復(fù)合而成的高性能材料，其制品形式主要有片材、型材、筋材、網(wǎng)格材等。自20世紀(jì)60年代開(kāi)始，隨著復(fù)合纖維材料的出現(xiàn)，其耐腐蝕的特點(diǎn)為解決鋼筋銹蝕問(wèn)題提供了理想的途徑。目前 FRP筋在混凝土結(jié)構(gòu)中代替鋼筋，可以發(fā)揮其輕質(zhì)高強(qiáng)、耐腐蝕、抗疲勞、無(wú)磁性等優(yōu)點(diǎn)[1]。在高腐蝕、防電磁干擾環(huán)境中具有不可替代的作用。同時(shí)隨著材料技術(shù)、制作工藝的發(fā)展，其經(jīng)濟(jì)性也在逐步提升，不僅體現(xiàn)在材料價(jià)格逐漸降低，其輕質(zhì)的特性也有助于勞動(dòng)力的解放，具有較高的應(yīng)用價(jià)值。

本文針對(duì)洋山四期工程綜合管廊結(jié)構(gòu)，運(yùn)用FRP筋混凝土結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)重載、防磁設(shè)計(jì)要求，并探討了 FRP筋混凝土結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)原理，存在問(wèn)題，并結(jié)合工程實(shí)施過(guò)程中GFRP筋強(qiáng)度、耐久性等試驗(yàn)驗(yàn)證設(shè)計(jì)原理，提出優(yōu)化建議，為后續(xù)FRP筋混凝土結(jié)構(gòu)的工程應(yīng)用積累工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。

1 FRP筋的特點(diǎn)

1）抗拉強(qiáng)度高

FRP筋抗拉強(qiáng)度明顯高于普通鋼筋，與高強(qiáng)鋼絲相近，彈性模量約為鋼筋的25 %。材料呈現(xiàn)各項(xiàng)異性，順纖維抗拉強(qiáng)度遠(yuǎn)高于其抗剪強(qiáng)度。但由于材料的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系始終為直線，沒(méi)有明顯的屈服點(diǎn)，因此破壞模式呈脆性破壞。

2）質(zhì)量輕

FRP筋為人工合成材料，密度小。各類 FRP鋼筋的密度一般在1.3～1.7 kg/m3之間，僅為鋼筋密度的20 %左右。使得運(yùn)輸成本大大降低，同時(shí)便于施工，減少安裝時(shí)間。

3）抗腐蝕

各種 FRP筋均具有良好的抗腐蝕能力，根據(jù)研究其在PH值3～13的鹽、堿環(huán)境中不會(huì)出現(xiàn)腐蝕，因此對(duì)于港口工程中長(zhǎng)時(shí)間處于潮濕、海洋環(huán)境中的構(gòu)建，是鋼筋較為理想的替代材料。

4）電磁絕緣

FRP筋由樹(shù)脂、復(fù)合纖維組成，無(wú)磁感應(yīng)，代替鋼筋使用后可使結(jié)構(gòu)滿足特殊要求。如自動(dòng)化碼頭磁釘防干擾的需求、雷達(dá)站、地磁觀測(cè)站、醫(yī)療核磁共振設(shè)備結(jié)構(gòu)等，具有替代的唯一性。

5）適用性強(qiáng)

可設(shè)計(jì)性強(qiáng)，可根據(jù)使用環(huán)境及使用要求進(jìn)行針對(duì)性的設(shè)計(jì)，通過(guò)調(diào)整纖維、粘結(jié)材料的配比加工成性能各異產(chǎn)品，滿足各類結(jié)構(gòu)使用需求。

2 工程背景

洋山四期工程是目前中國(guó)最大、最先進(jìn)的全自動(dòng)化港區(qū)，場(chǎng)地地坪通過(guò)埋設(shè)定位磁釘，引領(lǐng)無(wú)人駕駛的AGV車輛完成港區(qū)的全部裝卸作業(yè)，相比于常規(guī)港區(qū)AGV重載區(qū)存在2大不同點(diǎn)：①結(jié)構(gòu)防磁要求：地面以下一定深度內(nèi)不能有影響磁釘定位感應(yīng)的金屬；②AGV小車輪壓較大（25 t/輪），遠(yuǎn)超常規(guī)集卡（7 t/輪），且荷載作用頻率頻繁。

本工程綜合管廊正位于海側(cè)交換區(qū)，是 AGV作業(yè)車輛進(jìn)出各箱區(qū)的必經(jīng)之路，管廊貫穿61條箱區(qū)，總長(zhǎng)2 300 m，綜合了供電、通信、光纜、排水等數(shù)種功能。綜合管廊共分為三倉(cāng)、兩層，管廊頂寬3.4 m，底寬1.4 m。深4.25 m。底倉(cāng)主要為排水功能，匯集各箱區(qū)雨水、排出，頂倉(cāng)則主要布置為各類管線。

根據(jù)AGV車輛作業(yè)需要，綜合管廊頂板結(jié)構(gòu)需考慮防電磁干擾。在此情況下采用 FRP筋替代常規(guī)鋼筋是一種較為理想的方案，不僅能解決自動(dòng)化港重載區(qū)防磁的需求，還可以有效解決港口工程海洋環(huán)境中，混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的鋼筋銹蝕問(wèn)題，延長(zhǎng)其使用壽命。

圖1 綜合管廊結(jié)構(gòu)示意

3 FRP筋混凝土結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

3.1 FRP筋的選擇

在 FRP筋混凝土結(jié)構(gòu)中，常用的筋材種類有玻璃纖維增強(qiáng)聚合物（GFRP）、芳綸纖維增強(qiáng)聚合物（AFRP）以及碳纖維增強(qiáng)聚合物（CFRP），筋材抗拉強(qiáng)度依次增加。但由于 FRP筋普遍抗拉強(qiáng)度較高，即便是抗拉性能相對(duì)較弱的GFRP筋其抗拉強(qiáng)度也遠(yuǎn)高于鋼筋，同時(shí)考慮到GFRP筋具有相對(duì)的價(jià)格優(yōu)勢(shì)，因此建議在一般混凝土結(jié)構(gòu)中FRP筋的選擇依次為GFRP筋、AFRP筋、CFRP筋。

GFRP筋分為耐堿和不耐堿兩種形式，不耐堿的GFRP筋在堿性環(huán)境中性能會(huì)顯著降低，因此在FRP筋混凝土結(jié)構(gòu)中應(yīng)選用耐堿類型的GFRP筋。同時(shí)混凝土結(jié)構(gòu)中筋材強(qiáng)度的發(fā)揮受制于筋材粘結(jié)、錨固性能，作為主要受力筋，不應(yīng)選用光圓鋼筋。本工程中采用表面噴砂纏繞的螺紋式FRP筋，以增強(qiáng)GFRP筋與混凝土的粘結(jié)效應(yīng)。

3.2 設(shè)計(jì)要點(diǎn)

根據(jù)《纖維增強(qiáng)復(fù)合材料建設(shè)工程應(yīng)用技術(shù)規(guī)范》（GB 50608-2010）[2]（簡(jiǎn)稱規(guī)范）要求，F(xiàn)RP筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)與鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)同樣需進(jìn)行正常使用極限狀態(tài)的裂縫寬度驗(yàn)算、變形計(jì)算和承載能力極限狀態(tài)驗(yàn)算，區(qū)別主要體現(xiàn)在以下幾點(diǎn)：

1）與常規(guī)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)0.2 mm的控制裂縫寬度不同，由于 FRP筋具有較強(qiáng)的防腐蝕性，裂縫寬度主要取決于安全感和美觀的要求，因此最大裂縫寬度限制放寬至了0.5 mm。

2）傳統(tǒng)的鋼筋混凝土受彎構(gòu)件設(shè)計(jì)中，通過(guò)控制結(jié)構(gòu)的配筋率體現(xiàn)延性的設(shè)計(jì)理念。依據(jù)配筋率來(lái)控制結(jié)構(gòu)不同的破壞形態(tài)。而在 FRP筋混凝土受彎構(gòu)件中，破壞同樣分為兩種形態(tài)：筋材被拉斷以及混凝土被壓碎。但由于 FRP筋自身是一種彈脆性材料，沒(méi)有屈服階段，因此兩種破壞形態(tài)都近乎脆性破壞。但考慮到結(jié)構(gòu)在破壞前也存在可辨識(shí)的條件（如混凝土壓碎、裂縫寬度變大等），因此兩種破壞模式都是允許的。同時(shí)國(guó)外規(guī)范中也提供了另外一種設(shè)計(jì)思路，在美國(guó)ACI 318規(guī)范以及CSAA 806加拿大規(guī)范中，建議采用超筋的設(shè)計(jì)理念，使混凝土臨界狀態(tài)時(shí)發(fā)生壓碎破壞，從而在結(jié)構(gòu)崩潰前提供更多的明顯、易辨識(shí)的預(yù)警，在目前FRP材料性能還不穩(wěn)定、設(shè)計(jì)理論還不完善的前提下，作者認(rèn)為提高配筋率是更為穩(wěn)妥的設(shè)計(jì)方案。

3）由于GFRP筋的彈性模量較低，因此FRP筋混凝土構(gòu)件的設(shè)計(jì)中，裂縫寬度和撓度往往成為設(shè)計(jì)控制因素，因此 FRP筋混凝土構(gòu)件設(shè)計(jì)時(shí)可首先進(jìn)行正常使用極限狀態(tài)的裂縫寬度和變形計(jì)算，算得需要的 FRP筋的截面面積后，再進(jìn)行承載力極限狀態(tài)的驗(yàn)算，這與常規(guī)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)配筋驗(yàn)算是有所區(qū)別的。

4）GFRP筋的設(shè)計(jì)參數(shù)因其自身的材料特性，還需考慮環(huán)境影響系數(shù)和徐變斷裂折減系數(shù)，以提高結(jié)構(gòu)的安全可靠度。

5）由于FRP筋材料的各項(xiàng)異性，以及目前合成材料制作工藝的限制，會(huì)存在一些特殊應(yīng)力狀態(tài)、特殊部位的薄弱點(diǎn)，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)有所考慮。

3.3 強(qiáng)度折減系數(shù)的選取

在 FRP筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，筋材的抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值是重要的設(shè)計(jì)參數(shù)，其表達(dá)形式為：

式中：

γf為材料分項(xiàng)系數(shù)，是考慮了材料制作工藝，以及FRP筋脆性破壞特性的折減系數(shù)；

γ3為材料環(huán)境影響系數(shù)，是考慮FRP筋在長(zhǎng)期所處環(huán)境的酸堿鹽、濕度、溫度、日照等作用下性能出現(xiàn)的不同程度降的折減系數(shù)。

根據(jù)本工程海洋環(huán)境的特性以及筋材的制作工藝選取材料系數(shù)1.25，環(huán)境系數(shù)取值為1.6。經(jīng)計(jì)算折減后的FRP筋強(qiáng)度設(shè)計(jì)值約為標(biāo)準(zhǔn)值的45 %，可見(jiàn)在目前材料制作工藝尚不成熟，材料穩(wěn)定性仍有待驗(yàn)證的情況下，為確保結(jié)構(gòu)安全，規(guī)范[2]還是體現(xiàn)了安全第一的較為保守的設(shè)計(jì)理念。但隨著設(shè)計(jì)體系的完善以及制作工藝的提升，相信未來(lái)FRP筋材料強(qiáng)度扔有較大潛力可發(fā)掘。

3.4 徐變斷裂折減系數(shù)

徐變斷裂是指 FRP筋在永久荷載長(zhǎng)期作用下發(fā)生突然斷裂的現(xiàn)象，這是FRP材料特有的問(wèn)題。為保證 FRP筋在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期內(nèi)不發(fā)生斷裂，其長(zhǎng)期承受的應(yīng)力不能大于某一限值。因此規(guī)范[2]規(guī)定了長(zhǎng)期作用下筋材內(nèi)力的最大值，但由于目前關(guān)于筋材徐變斷裂破壞機(jī)理的研究還不盡充分，關(guān)于徐變折減系數(shù)的取值尚未得出統(tǒng)一的結(jié)論，故為安全起見(jiàn)，徐變折減系數(shù)的取值趨于保守，根據(jù)規(guī)范[2]，本工程環(huán)境下，筋材在長(zhǎng)期作用下拉應(yīng)力不應(yīng)超過(guò)抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值的17.8 %。但由于本工程控制荷載為活荷載，長(zhǎng)期作用荷載折減較大，同時(shí)FRP筋自身強(qiáng)度較高，因此并不影響常規(guī)設(shè)計(jì)，而如果是在以恒荷載為控制工況的結(jié)構(gòu)驗(yàn)算時(shí)或?qū)τ?FRP預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)，徐變因素則是結(jié)構(gòu)安全決定性的因素，不容忽視。

表1 FRP筋的徐變斷裂折減系數(shù)

3.5 計(jì)算模型

1）計(jì)算模型

綜合管廊頂板可簡(jiǎn)化為兩端固結(jié)的兩跨簡(jiǎn)支梁。取每延米板寬作為計(jì)算單元。

2）設(shè)計(jì)荷載

管廊頂板承受如下荷載：

①永久荷載：頂板自身重力；

②活荷載：AGV小車輪壓，根據(jù)車輛軸距，管廊頂板單位板寬最大輪壓取25 t。

圖2 管廊頂板計(jì)算模型

3）材料特性

本工程初步選用直徑20 mm的GFRP筋材，根據(jù)規(guī)范[2]設(shè)計(jì)強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值為600 MPa，經(jīng)材料、環(huán)境修正后的抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值取300 MPa。

4）管廊頂板內(nèi)力計(jì)算

①?gòu)澗?/p>

根據(jù)上述簡(jiǎn)支梁模型，考慮流動(dòng)荷載最不利位置作用，計(jì)算得管廊頂板結(jié)構(gòu)彎矩如圖3所示，最大彎矩發(fā)生在鄰近荷載作用點(diǎn)的固定端，最大彎矩Md=99 kN·m。

圖3 管廊頂板彎矩分布

②剪力

FRP筋抗剪性能較弱，彎折后強(qiáng)度更會(huì)顯著下降，因此本次管廊頂板配筋未考慮設(shè)置抗剪彎起鋼筋及箍筋，僅依靠混凝土截面自身抗剪強(qiáng)度抵抗截面剪力，不進(jìn)行筋材的抗剪驗(yàn)算。同時(shí)將縱向筋對(duì)于混凝土界面抗剪性能的提高作為結(jié)構(gòu)安全儲(chǔ)備。（El-Sayed等[3]對(duì)無(wú)腹筋的GFRP筋的斜截面承載力進(jìn)行的對(duì)比研究表明，縱向鋼筋的配筋率越大，梁的斜截面承載力越高）。

3.6 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1）裂縫寬度計(jì)算

根據(jù) FRP筋混凝土結(jié)構(gòu)受彎構(gòu)件設(shè)計(jì)體系，可先進(jìn)行結(jié)構(gòu)裂縫寬度的驗(yàn)算。FRP筋混凝土結(jié)構(gòu)最大裂縫寬度的計(jì)算與鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)基本相同，對(duì)于是選用鋼筋還是 FRP筋計(jì)算裂縫寬度的區(qū)別主要是構(gòu)件受力特征系數(shù)以及鋼筋的相對(duì)粘結(jié)特征系數(shù)。對(duì)于受彎構(gòu)件，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)可取1.9，而FRP筋結(jié)構(gòu)取2.1，筋材的粘結(jié)系數(shù)在沒(méi)有具體實(shí)驗(yàn)資料的情況下，F(xiàn)RP筋取0.7，與光圓鋼筋的粘結(jié)系數(shù)相同。因此 FRP筋計(jì)算的最大裂縫寬度較鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)大10 %～30 %。

依據(jù)初步選定的φ20間距130 mm進(jìn)行驗(yàn)算，結(jié)構(gòu)最大裂縫寬度ωmax)為 0.283 mm，小于0.5 mm，滿足規(guī)范要求。

2）撓度的計(jì)算

規(guī)范[2]中對(duì)于 FRP筋撓度的計(jì)算原則與鋼筋混凝土完全相同，經(jīng)計(jì)算結(jié)構(gòu)最大撓度0.455 mm，小于受彎構(gòu)件極限撓度l0/200=5.5 mm，滿足規(guī)范[2]要求。

3）內(nèi)力配筋驗(yàn)算

在裂縫及撓度滿足的前提下，對(duì)截面彎矩進(jìn)行配筋驗(yàn)算。FRP筋配筋驗(yàn)算流程如圖4所示。

通過(guò)計(jì)算，當(dāng)主筋采用φ20間距130 mm布置時(shí)，實(shí)配鋼筋面積2 417 mm，筋配筋率0.8 %，滿足設(shè)計(jì)要求。

圖4 內(nèi)力配筋驗(yàn)算流程

4 FRP筋性能實(shí)測(cè)

對(duì)比鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，F(xiàn)RP筋混凝土結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)體系尚不完善，工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)較少，因此在本工程的實(shí)施階段，為進(jìn)一步驗(yàn)證設(shè)計(jì)的合理性，以及積累材料的物理、力學(xué)性質(zhì)數(shù)據(jù)，進(jìn)行了一系列的室內(nèi)試驗(yàn)。室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)合港口工程海洋環(huán)境特點(diǎn)，圍繞材料強(qiáng)度特性、耐久性進(jìn)行研究。

4.1 耐久性測(cè)試

耐久性測(cè)試主要是針對(duì) GFRP筋的使用環(huán)境情況依據(jù)材料老化試驗(yàn)規(guī)程對(duì)工程用 GFRP筋在鹽、堿環(huán)境中浸泡不同齡期后抗拉強(qiáng)度的損失情況進(jìn)行試驗(yàn)。取φ16的GFRP筋分別進(jìn)行了3種情況下的加速老化測(cè)試，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表2～表4。

表2 在60 ℃鹽溶液中浸泡抗拉強(qiáng)度檢測(cè)結(jié)果

表3 在60 ℃堿溶液中浸泡抗拉強(qiáng)度檢測(cè)結(jié)果

表4 在60 ℃堿+鹽溶液中浸泡抗拉強(qiáng)度檢測(cè)結(jié)果

根據(jù)美國(guó) University of Missouri-Rolla的Francesco Micelli在 2001年發(fā)表的《Mechanical Properties and Durability of FRP Rods》專著提出，F(xiàn)RP材料加速腐蝕浸泡齡期與材料正常使用條件下的使用壽命遵循下述關(guān)系：

式中：

N為FRP材料在正常環(huán)境下的使用壽命；

C為FRP材料在加速腐蝕條件下浸泡的齡期；T為加速腐蝕試驗(yàn)溫度。

該模型基于美國(guó)當(dāng)?shù)仄骄鶜鉁?2 ℃，與本工程區(qū)域年平均氣溫相近，可類比分析。

通過(guò)上述公式換算，試驗(yàn)條件下加速腐蝕 90天，即相當(dāng)于FRP筋在正常條件下使用壽命60年，從三組試驗(yàn)數(shù)據(jù)上看材料強(qiáng)度保留率均能達(dá)到85 %以上。加速老化6個(gè)月后（相當(dāng)于正常使用條件下約122年）強(qiáng)度保留率為70 %以上。對(duì)比規(guī)范[2]，當(dāng)環(huán)境影響系數(shù)取 1.6時(shí)（對(duì)應(yīng)海洋環(huán)境），折合為強(qiáng)度保留率為65 %，與試驗(yàn)數(shù)據(jù)基本吻合。

根據(jù)試驗(yàn)分析，由于材料的耐久性與設(shè)計(jì)使用年限緊密相關(guān)，從試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，當(dāng)使用壽命在60年以內(nèi)時(shí)，材料的強(qiáng)度保留率可控制在85 %以上，而規(guī)范[2]中并未區(qū)分。因此如果能將環(huán)境影響系數(shù)依據(jù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)使用年限進(jìn)行細(xì)分，可變相的提高材料強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，從而節(jié)省工程投資。

4.2 抗拉強(qiáng)度測(cè)試

FRP筋根據(jù)其纖維材料、粘結(jié)材料、制作工藝，尤其是纖維摻量的不同會(huì)導(dǎo)致 GFRP筋抗拉強(qiáng)度有較大差異，掌握工程中實(shí)際應(yīng)用的GFRP筋抗拉強(qiáng)度特性，并與設(shè)計(jì)理論參數(shù)值進(jìn)行對(duì)比，對(duì)確保結(jié)構(gòu)安全，積累 FRP筋設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)都具有一定的現(xiàn)實(shí)意義。圖5為φ20 GFRP筋抗拉強(qiáng)度實(shí)測(cè)值及工程試驗(yàn)照片。

圖5 GFRP筋抗拉強(qiáng)度測(cè)試

表5 φ20 FRP筋抗拉強(qiáng)度、彈性模量實(shí)測(cè)值

從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，實(shí)測(cè)GFRP筋的抗拉強(qiáng)度可以達(dá)到900 MPa左右，超出規(guī)范[2]中推薦選用的材料抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值（600 MPa）近50 %。分析原因，一方面 FRP筋是一種人工合成材料，其抗拉強(qiáng)度隨著纖維材料、粘結(jié)材料的不斷發(fā)展，也在不斷提高，相信隨著制作工藝的成熟、新材料新技術(shù)的應(yīng)用，今后 FRP筋的材料強(qiáng)度會(huì)繼續(xù)提高。另一方面也正是因?yàn)椴煌牧?、不同工藝?dǎo)致的材料強(qiáng)度的差異較大，也使得規(guī)范[2]中只能選擇更為保守的取值原則，來(lái)確保規(guī)范[2]的通用性，但對(duì)于具體工程而言，建議可提前通過(guò)實(shí)驗(yàn)掌握具體材料的力學(xué)特性，根據(jù)實(shí)測(cè)值優(yōu)化設(shè)計(jì)，避免材料強(qiáng)度的浪費(fèi)。

4.3 FRP筋彎折后的強(qiáng)度折減

FRP筋是一種各向異性的合成材料，其垂直于纖維的強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于順纖維強(qiáng)度，而當(dāng)筋材彎折后，在彎曲段將產(chǎn)生復(fù)雜的應(yīng)力狀態(tài)，強(qiáng)度答復(fù)降低，產(chǎn)生這種現(xiàn)象主要有以下兩個(gè)原因：

首先由于目前 GFRP筋的生產(chǎn)工藝基本為熱塑性擠拉工藝或熱塑性擠拉纏繞工藝，彎曲這個(gè)環(huán)節(jié)的制作質(zhì)量水平起伏較大，會(huì)出現(xiàn)鼓包、扁平等現(xiàn)象，截面形態(tài)的變化將會(huì)引起GFRP筋應(yīng)力狀態(tài)的變化。

其次在 FRP筋彎折后位于曲率中心一側(cè)的纖維會(huì)發(fā)生蜷曲，從而可能導(dǎo)致纖維失效[4]，如圖6所示。

圖6 FRP筋彎折部位受力狀態(tài)

根據(jù)相關(guān)研究彎折后的筋材抗拉強(qiáng)度僅為直筋抗拉強(qiáng)度的30 %～80 %。其次FRP筋的彎折半徑對(duì)彎折后的筋材強(qiáng)度也起著決定性的作用。彎折半徑與筋材直徑的比值越大，其抗拉強(qiáng)度越接近直筋強(qiáng)度。因此在 FRP筋混凝土結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)過(guò)程中對(duì)于受力鋼筋錨固長(zhǎng)度，以及箍筋的設(shè)計(jì)中，應(yīng)考慮彎鉤對(duì)筋材抗拉強(qiáng)度的削弱。而筋材直徑越粗，其抗拉強(qiáng)度受彎折影響也就越大。因此在工程設(shè)計(jì)中應(yīng)盡可能的遵循“小直徑、密布”的配筋原則，既可減少筋材彎折對(duì)強(qiáng)度的折減性，同時(shí)也更有利于結(jié)構(gòu)裂縫寬度的控制。

圖7 筋材彎折試驗(yàn)

5 結(jié) 語(yǔ)

隨著材料技術(shù)、制作工藝以及設(shè)計(jì)理論的不斷完善，纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（FRP）已漸漸具備全面應(yīng)用與結(jié)構(gòu)建設(shè)的階段。FRP筋具有輕質(zhì)、高強(qiáng)的特性，特別是其良好的抗腐蝕性、耐久性以及防磁性，使其在一些特定環(huán)境的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上具有不可替代的作用。但同時(shí)作為一種人工合成新材料，要想完全替代鋼筋，仍需要大量的理論研究、工程實(shí)踐作為支撐。本文在規(guī)范[2]的指導(dǎo)下，利用FRP筋替代鋼筋，實(shí)現(xiàn)了重載作用下管廊抗磁頂板的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，管廊結(jié)構(gòu)使用安全、板頂預(yù)埋定位磁釘無(wú)電磁干擾，設(shè)備運(yùn)行良好。歸納、總結(jié)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)如下：

1）FRP筋抗拉強(qiáng)度較高，結(jié)構(gòu)最大裂縫寬度的控制往往決定了結(jié)構(gòu)配筋。因此在 FRP筋混凝土結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)中，可優(yōu)先進(jìn)行正常使用極限狀態(tài)的裂縫驗(yàn)算再對(duì)承載能力極限狀態(tài)進(jìn)行復(fù)核。

2）FRP筋作為一種各向異性的人工合成材料，其抗剪性能遠(yuǎn)低于其抗拉性能，同時(shí)目前 FRP筋抗剪強(qiáng)度以及破壞機(jī)理仍有待研究，因此對(duì)于重要結(jié)構(gòu)現(xiàn)階段不建議將 FRP筋作為抵抗剪切作用的主要構(gòu)件。其脆性破壞模式以及強(qiáng)度的折減不利于結(jié)構(gòu)的安全。

3）本工程通過(guò)GFRP筋的加速老化試驗(yàn)，得到筋材在鹽、堿環(huán)境中抗拉強(qiáng)度的變化，折合正常使用環(huán)境下，持久狀態(tài)筋材強(qiáng)度保留率約70 %與規(guī)范[2]中環(huán)境影響折減系數(shù)折算強(qiáng)度保證率接近（65 %），因此規(guī)范中采用的環(huán)境影響系數(shù)是合理且必要的。同時(shí)根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果正常使用狀態(tài)下筋材60年強(qiáng)度保留率約85 %，如同樣采用規(guī)范中環(huán)境折減系數(shù)，則略顯保守，因此建議對(duì)于明確設(shè)計(jì)使用年限較短的非重要結(jié)構(gòu)構(gòu)件，可根據(jù)設(shè)計(jì)使用年限調(diào)整環(huán)境折減系數(shù)。

4）本工程 GFRP筋的抗拉強(qiáng)度實(shí)測(cè)值可達(dá)900 MPa左右，超出規(guī)范[2]中推薦選用的材料抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值（600 MPa）近50 %。究其原因主要是由于目前新材料、新技術(shù)的不斷升級(jí)，材料性能逐步提高。因此建議對(duì)于擬大量應(yīng)用FRP筋的工程，應(yīng)提前通過(guò)實(shí)驗(yàn)掌握具體材料的力學(xué)特性，優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

5）由于目前FRP筋制作工藝的限制，其彎折后，截面形態(tài)、彎折區(qū)的應(yīng)力狀態(tài)性都將發(fā)生改變，成為筋材力學(xué)性能的薄弱點(diǎn)。因此在 FRP筋目前的應(yīng)用中，應(yīng)盡可能避免最大內(nèi)力作用于筋材彎折區(qū)，同時(shí)“小直徑、密布”的配筋原則對(duì)材料強(qiáng)度的發(fā)揮更加有利。